Integrando UML e Métodos Formais

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1 Universidade Federal de Pernambuco Graduação em Ciência da Computação Centro de Informática Proposta de Trabalho de Graduação Integrando UML e Métodos Formais Aluno: Orientador: Co-orientador: Rafael Magalhães Borges (rmb2@cin.ufpe.br) Alexandre Cabral Mota (acm@cin.ufpe.br) Augusto Cézar Alves Sampaio (acas@cin.ufpe.br) Recife, 1 de Junho de 2004.

2 1 Contexto A crise de software é, ainda hoje, o maior problema da Engenharia de Software. Diversos projetos são cancelados e outros tantos estouram custos e prazos. Poucos são aqueles concluídos com sucesso, sem erros ou atrasos. Este problema se agrava quando falamos dos sistemas considerados críticos: sistemas que envolvem elevadas somas de dinheiro ou vidas humanas. Um erro pode ser fatal, como o caso do Therac-25, que aplicava doses radioativas letais nos pacientes [18], ou caríssimo, como o do Ariane 5, cujas falhas de lançamento custaram milhões ao programa espacial europeu [15]. Alguns trabalhos [11, 4, 3] sugerem que as causas desta crise são a instabilidade dos requisitos e a complexidade inerente do software. Outros [13], mais filosóficos, comparam os desenvolvedores atuais aos artesãos pré-industriais: ambos produzem seus artefatos utilizando técnicas baseadas no empirismo, desconhecendo a ciência por trás dos seus ofícios. Inclusive, [7] vai além: sugere não só o embasamento, mas também a verificação formal dos programas. Vale ressaltar que todos concordam que produzir software de qualidade (cuja maior componente é a corretude) é essencial. Diversas balas de prata para essa crise foram propostas: ferramentas especializadas, orientação a objetos e inteligência artificial são exemplos disso [3]. Dentre elas, Métodos Formais merecem destaque. Estabelecer a matemática como alicerce do desenvolvimento de software dá rigor científico a diversos conceitos outrora informais; é agora possível verificar formalmente a corretude dos programas através de provas. Noções de refinamento passaram a ter uma importância muito grande: especificar um sistema utilizando estruturas matemáticas e abstraindo detalhes operacionais permite um maior entendimento do problema. A prova das propriedades dos sistemas passa a ser bastante intuitiva e relativamente fácil. Depois, a substituição dessa especificação por outras mais concretas (cujas relações com a original sejam demonstradas), com estruturas de dados cada vez mais computacionais e menos abstratas, garante as propriedades do modelo original [32]. Por fim, a aplicação de transformações (ou leis) matemáticas leva-nos à derivação de uma implementação que, por construção, está correta [20, 8]. Contudo, mesmo com casos de sucesso como o CICS [32], TCAS II [12] e muitos outros [1], Métodos Formais ainda não são utilizados em larga escala na indústria. Como destacam [6, 30], isso se deve à sua forte notação matemática e ao uso de ferramentas ineficientes e não-amigáveis. Porém, é importante frisar que nenhum método foi universalmente aceito até hoje. Para suprir essas deficiências e tornar Métodos Formais mais acessíveis, existem duas alternativas mais comuns: a simplificação da linguagem formal, 1

3 o que inclui até a adição elementos gráficos [14], ou a utilização de uma outra linguagem, geralmente informal, mapeando-a para uma formal [21, 26, 33]. Apesar dessa primeira alternativa possuir seus méritos, acreditamos que a segunda é mais promissora. Podemos assim utilizar, como intermediárias, as linguagens com as quais o desenvolvedor já está habituado e mapeá-las numa linguagem formal mais poderosa, concebida sem maiores restrições conceituais (embora sejam necessárias algumas para a utilização prática). Como linguagem intermediária, UML [22, 24] aparece como a opção mais importante. Ela utiliza elementos gráficos para representar as diversas entidades assim como seus relacionamentos e graças a essa simplicidade, aliada à facilidade de entendimento, tornou-se o padrão do mercado. Porém, é uma linguagem informal (portanto ambígua) e insuficiente para representar até propriedades mais simples [23]. Já para o papel de linguagem formal, OhCircus [5] é uma excelente escolha. OhCircus integra conceitos bem estabelecidos na comunidade formal: a linguagem baseada em modelos Z [31], a álgebra de processos CSP [27] e o cálculo de refinamentos [20], além dos conceitos de orientação a objetos, provendo uma linguagem unificada para classes e processos. Vale destacar que algumas idéias foram obtidas a partir de UML-RT 1 [19, 29], o que a torna ainda mais apropriada para esse mapeamento. Atualmente, essa integração entre linguagens de mercado e formais é uma área de pesquisa bastante ativa, permitindo que as práticas da Engenharia de Software sejam provadas formalmente, enquanto os resultados dos Métodos Formais são aplicados na indústria. Em particular, hidden formal methods vai além, utilizando na prática os resultados estabelecidos formalmente, mas sem que o desenvolvedor perceba o uso de Métodos Formais. 2 Objetivos O objetivo deste trabalho é capturar os principais elementos que constituem os diagramas de classes anotados de UML e mapeá-los em especificações Oh- Circus. Este é um tópico de pesquisa bastante ativo [2, 16, 17, 25], mas nossa abordagem difere das demais porque utiliza uma linguagem projetada para acomodar várias construções de UML(-RT) e procura preservar a estrutura do diagrama de classes. Vale destacar que a semântica de OhCircus ainda está incompleta; porém, como as vantagens de utilizá-la superam as desvantagens, esperamos que esse trabalho seja uma contribuição para a evolução da própria linguagem. 1 UML-RT é uma extensão de UML que contempla concorrência. 2

4 Como discutido no contexto, UML é por si só insuficiente para capturar todas as propriedades relevantes do sistema [23], sendo também necessárias anotações (invariantes, pré- e pós-condições etc). Por outro lado, a linguagem proposta pela OMG para suprir este papel, OCL [23], é limitada: apenas especifica restrições (semelhantes a asserções) e ainda não possui semântica formal bem definida. Neste trabalho, consideraremos algumas características e construções dessa linguagem, mas OhCircus será utilizada nas anotações. Além de tratar dos elementos individuais do diagrama de classes (as próprias classes), também preservamos toda a sua estrutura, como relacionamentos, propriedades globais e aspectos dinâmicos do sistema (via system history [10]). Isto é realizado através de uma (meta-)classe, sintaticamente equivalente às demais, que concentra tal estrutura (classe-modelo). A principal motivação para isso é explorar refinamento em UML [28]. Por fim, diversos trabalhos [2, 9, 17], inclusive [24], tomam como verdade a noção de equivalência entre associações e atributos. Utilizando nossa abordagem, propomos demonstrar que as associações representam uma visão abstrata do diagrama de classes, enquanto a interpretação delas como atributos é um dos refinamentos possíveis. O objetivo principal é, além do próprio resultado, dar uma intuição de (e possivelmente consolidar) o mapeamento e a noção de classe-modelo. É importante ressaltar que este trabalho é apenas um passo inicial em direção ao mapeamento completo de UML-RT para OhCircus. Várias pesquisas podem ser exploradas a partir desta, como a construção do mapeamento inverso (a partir da preservação das características) e futuras extensões, contemplando, por exemplo, os aspectos dinâmicos (o uso de uma classe-modelo) e OCL. 3 Cronograma Mês Atividade Junho Julho Agosto Investigar classes-modelo Preparar o mapeamento Abordar o refinamento Elaborar o relatório Elaborar a apresentação Tabela 1: Cronograma 3

5 Referências [1] J. Bowen and M. Hinchey. Applications of Formal Methods. Prentice Hall PTR, [2] R. Breu, U. Hinkel, C. Hofmann, C. Klein, B. Paech, B. Rumpe, and V. Thurner. Towards a Formalization of the Unified Modeling Language. In Proceedings of ECOOP 97. Springer Verlag, LNCS, [3] F. Brooks, Jr. No Silver Bullet: Essence and Accidents of Software Engineering. Computer Magazine, 20(4):10 19, [4] F. Brooks, Jr. The Mythical Man-Month (Anniversary ed.). Addison- Wesley Longman Publishing Co., Inc., [5] A. Cavalcanti, A. Sampaio, and J. Woodcock. A Unified Language of Classes and Processes. In St Eve: State-Oriented vs. Event-Oriented Thinking in Requirements Analysis, Formal Specification and Software Engineering, Satellite Workshop at FM 03, unknown [6] E. Clarke and J. Wing. Formal Methods: State of the Art and Future Directions. ACM Computing Surveys, [7] E. Dijkstra. The Humble Programmer. Communications of the ACM, 15(10): , [8] E. Dijkstra. A Discipline of Programming. Prentice Hall PTR, [9] A. Evans. Reasoning with UML Class Diagrams. In 2nd IEEE Workshop on Industrial Strength Formal Specification Techniques. IEEE, [10] R. Gheyi and P. Borba. Refactoring Alloy Specifications. In WMF 2003: 6th Workshop on Formal Methods, Brazil, pages , [11] W. Gibbs. Software s Chronic Crisis. Scientific American (International ed.), 271(3):86 95, [12] M. Heimdahl. Experiences and lessons from the analysis of tcas ii. SIG- SOFT Softw. Eng. Notes, 21(3):79 83, [13] C. Hoare. Programming: Sorcery or Science? IEEE Software, 1(2):5 12, 15 16, April [14] D. Jackson. Micromodels of Software: Lightweight Modelling and Analysis with Alloy. Technical report, Software Design Group, MIT Lab for Computer Science,

6 [15] J.-M. Jézéquel and B. Meyer. Design by Contract: The Lessons of Ariane. IEEE Computer, 30(2): , January [16] S. Kim and D. Carrington. A Formal Mapping between UMLModels and Object-Z Specifications. Lecture Notes in Computer Science, 1878:2 21, [17] K. Lano and J. Bicarregui. UML Refinement and Abstraction Transformations. ROOM 2 Workshop, Bradford University, [18] N. Leveson and C. Turner. An Investigation of the Therac-25 Accidents. IEEE Computer, 26(7):18 41, June [19] A. Lyons. UML for Real-Time Overview. Whitepaper, ObjecTime Limited, April [20] C. Morgan. Programming from Specifications (2nd ed.). Prentice Hall International (UK) Ltd., [21] P. Moura, R. Borges, and A. Mota. Experimenting Formal Methods through UML. Submitted to WMF 2003, July [22] OMG. UML 2 Infrastructure Final Adopted Specifcation. Whitepaper, Object Management Group, September [23] OMG. UML 2 OCL Final Adopted Specification. Whitepaper, Object Management Group, October [24] OMG. UML 2 Superstructure Final Adopted specification. Whitepaper, Object Management Group, August [25] R. Paige. Integrating a program design calculus and a subset of UML. The Computer Journal, 42(2), [26] D. Roe, K. Broda, and A. Russo. Mapping UML Models incorporating OCL Constraints into Object-Z. Technical Report 2003/9, Imperial College London, [27] A. Roscoe, C. Hoare, and R. Bird. The Theory and Practice of Concurrency. Prentice Hall PTR, [28] A. Sampaio, A. Mota, and R. Ramos. Class and Capsule Refinement for UML-RT. In WMF 2003: 6th Workshop on Formal Methods, Brazil, pages 16 34, Extended version to appear in Electronic Notes in Theoretical Computer Science, Elsevier,

7 [29] B. Selic and J. Rumbaugh. Using UML for Modeling Complex Real- Time Systems. Whitepaper, Rational Software Corp., March [30] I. Sommerville. Software Engineering. Addison-Wesley, [31] M. Spivey. The Z Notation. Prentice-Hall, [32] J. Woodcock and J. Davies. Using Z: Specification, Refinement, and Proof. Prentice Hall, [33] P. Zeppo. From UML to B Specifications. Master s thesis, Dept. of Computer Science, King s College London,

8 Datas e Assinaturas 1 de Junho de 2004 Alexandre Cabral Mota (Orientador) Augusto Cézar Alves Sampaio (Co-orientador) Rafael Magalhães Borges (Proponente) 7